固井工藝與質(zhì)量檢測講義課件

固井是鉆井工程的臨門一腳鉆井是勘探開發(fā)的必由之路第八章固井工藝與質(zhì)量檢測第一節(jié)固井工藝第二節(jié)油井水泥第三節(jié)前置液與外加劑第四節(jié)固井質(zhì)量檢測第五節(jié)提高固井質(zhì)量的技術(shù)何為固井？WellCementing

固井就是將水泥注入井壁與套管之間環(huán)空的過程。固井工程是指通井處理鉆井液、下套管、再循環(huán)處理鉆井液、注水泥、候凝、封固質(zhì)量檢測到裝井口交井的全過程，是涉及多學(xué)科多專業(yè)（石油工程、化學(xué)工程、硅酸鹽科學(xué)、高分子科學(xué)、流變學(xué)等）的一個系統(tǒng)工程，核心是經(jīng)濟(jì)合理地設(shè)計套管柱和安全優(yōu)質(zhì)地注入水泥漿。

固井的目的是保護(hù)地表水、封隔地層和支撐套管柱。2001200220001997第一節(jié)固井工藝

一、固井地面設(shè)備二、常規(guī)固井工藝三、特殊固井工藝一、固井地面設(shè)備循環(huán)鉆井液注前置液和水泥漿壓膠塞替鉆井液碰壓二、常規(guī)固井工藝鉆井固井過程（Drilling-CementingProcess）三、特殊固井工藝－雙級固井三、特殊固井工藝－尾管固井機(jī)械式尾管懸掛器尾管懸掛示意圖

第二節(jié)油井水泥一、油井水泥的制造方法二、油井水泥水化機(jī)理三、油井水泥水化伴隨現(xiàn)象四、油井水泥性能與測量五、影響油井水泥性能的因素一、油井水泥的制造方法（干法和濕法）石灰石粘土

鋁礬土硅石鐵粉熒石等生料按比例混合1450℃熟料油井水泥（水硬性膠凝材料）加石膏或外加劑，并研磨分四個階段：（1）預(yù)熱干燥－300～600℃，燒掉有機(jī)物質(zhì)（2）石灰石分解－900℃：CaCO3分解出CaO和CO2（3）高溫化學(xué)反應(yīng)－1450℃，生成C2S、C3A、C4AF、C3S（4）冷卻、出窯磨細(xì)油井水泥分級

ABCDEF

GH（J）0～1830mA級－普通水泥（0.46）C級－早強(qiáng)水泥（0.56）B級－中熱水泥（0.46）1830～4880mD級－緩凝水泥（3050m）F級－緩凝水泥（4880m）E級－緩凝水泥（4270m）0～2440mG級－基礎(chǔ)水泥（0.44）H級－基礎(chǔ)水泥（0.38）二、油井水泥水化機(jī)理

起始期——遲緩期——凝結(jié)期——硬化期（幾分鐘）（幾十分鐘～幾個小時）（幾十分鐘）（幾天～數(shù)年）大量放熱液態(tài)特征水化速度變慢流動性能穩(wěn)定水化加速不再流動晶體析出強(qiáng)度增加C-S-H凝膠層

那么，油井水泥的水化產(chǎn)物是什么？這些產(chǎn)物有什么樣的性質(zhì)？高溫水泥石強(qiáng)度退化的根源是什么？加砂又為什么能防止這種退化？下面我們就以國產(chǎn)APIG級油井水泥為例進(jìn)行剖析。三、油井水泥水化伴隨現(xiàn)象放出水化熱、膠凝失重、失水與析水、體積減縮、“閃凝”、“假凝”等。A.放出水化熱－井溫測井、“微環(huán)隙”起始期——遲緩期——凝結(jié)期——硬化期（幾分鐘）（幾十分鐘～幾個小時）（幾十分鐘）（幾天～數(shù)年）水化速度較快放出熱量較大持續(xù)時間較短水化速度變慢放出熱量很少水化速度加快放出熱量最大水化速度很慢放出熱量變少持續(xù)時間極長放熱量由大到?。篊3A、C3S、、C4AF、C2SB.膠凝失重Sabins,F.L.失重公式：水泥漿柱壓力降落曲線水泥漿膠凝強(qiáng)度發(fā)展曲線有效壓力（kPa)膠凝強(qiáng)度（×100Pa)試驗時間（min）水泥漿柱有效壓力和膠凝強(qiáng)度與試驗時間的關(guān)系水泥漿柱有效壓力與膠凝強(qiáng)度的關(guān)系膠凝強(qiáng)度(Pa)漿柱有效壓力(KPa)05010015020001020304050

水泥漿柱有效壓力在初凝前降至水柱壓力。測出水泥漿在初凝時的膠凝強(qiáng)度(該值約為1650Pa)，即得水泥漿在初凝前漿柱有效壓力的計算公式：當(dāng)τ≤τs時：當(dāng)τ＞τs時：

公式的推導(dǎo)－土壤力學(xué)理論假定：水泥漿發(fā)生明顯水化之前，水泥漿就象尚未沉積的土壤；膠凝過程中的水泥漿柱與土壤層具有相似的固結(jié)過程。用Terzaghi定律來描述水泥漿內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)：

初始漿柱壓力地層壓力水泥漿柱壓力3.57.0P(MPa)t(hr)abcd2130a-b段：起始期遲緩期b-c段：進(jìn)入凝結(jié)期那么，是不是水泥漿柱壓力低于地層壓力就發(fā)生氣竄呢？水竄流量的變化規(guī)律水竄時間（min)1060120200水侵速率（ml/min)3.30.90.220.11水導(dǎo)率（×10-4μm2)20.77.551.380.69

可以看出：水泥石水導(dǎo)率隨水竄時間增加而降低，這說明在水侵時間內(nèi)，水泥漿內(nèi)部的水化仍在進(jìn)行，仍在不斷封閉著水運(yùn)移的通道，提高自身的抗竄能力。

那么，為什么水泥漿柱壓力低于地層壓力還不會立即發(fā)生氣竄呢？氣侵阻力－－水泥漿結(jié)構(gòu)阻止地層流體進(jìn)入漿體的能力

C.失水與析水

失水的危害：（1）水泥漿“瞬凝”，導(dǎo)致固井失敗。（2）水泥水化不充分，造成固井質(zhì)量差。（3）水泥漿體積減少，誘發(fā)油氣水竄。（4）水泥漿向產(chǎn)層失水，污染油氣層。析水的危害：（1）水平井－形成連續(xù)性水帶竄槽。（2）垂直井－形成橫向水帶和縱向水槽。序號漿柱壓力（MPa）地層壓力（MPa）壓差（MPa）失水量（ml）24h聲幅值（％）13.521.5560026.04.01580039.07.030600410.58.550503511.59.5650013613.011.0780029壓力對水泥漿失水量的影響注：試驗水泥漿漿總量為38235ml。D.體積減縮

水泥內(nèi)部體積減少：以真空微孔隙的形式分布于水泥石中，造成其孔隙壓力下降。

水泥表觀體積收縮：膨脹率（％）時間（d）膨脹率（％）時間（d）水泥表觀體積水泥絕對體積

總的體積減縮分為兩個部分：一部分是外部體積收縮，收縮率為4％～6％；另一部分是結(jié)構(gòu)內(nèi)部收縮，收縮率小于1％。體積收縮順序：

C2S（1％）C3SC4AFC3A（16％）水泥漿某時刻水化引起的總收縮率：水泥漿某時刻失水引起的體積收縮值：水泥漿某時刻水化引起的總體積收縮值：水泥總收縮率與時間的關(guān)系時間(h)總收縮率(％)05105010001234765E.“閃凝”

閃凝是指把波特蘭水泥熟料單獨（即不加石膏）研磨后與水混合，C3A會迅速發(fā)生反應(yīng)而發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的稠化現(xiàn)象。

產(chǎn)生的原因有兩個：一是因研磨時未加入石膏，水泥中含的鋁酸鹽和硫酸鹽相互作用而造成的。二是因水泥中石膏的含量和熟料的活性不匹配，在早期水化階段C3A與水過多地反應(yīng)（即C3A的溶解度大而C3S和石膏的溶解度小）而造成的。F.“假凝”

假凝是因水泥中存在的半水石膏或可溶性無水石膏的過量溶解，（有時也會因水泥與外加劑不相容造成絮凝而引起），使?jié){體液相成為過飽和硫酸鹽溶液，導(dǎo)致石膏快速結(jié)晶析出針狀二水石膏而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).假凝使?jié){體剛性迅速增加，但無大量熱放出；立即攪拌，剛性消除，塑性又恢復(fù)。解決的方法有：降低粉磨溫度、控制產(chǎn)品質(zhì)量、調(diào)整水泥外加劑品種和加量等。水化伴隨現(xiàn)象與固井工程的關(guān)系可能造成的后果放出水化熱形成微環(huán)隙二界面膠結(jié)質(zhì)量差，環(huán)空氣竄膠凝失重環(huán)空壓力系統(tǒng)失衡環(huán)空氣竄，甚至失控而井噴失水與析水“閃凝”，水化不充分固井問題多，污染油層，竄槽體積減縮形成微環(huán)隙，水泥面下移二界面膠結(jié)質(zhì)量差，環(huán)空氣竄“閃凝”蹩泵固井事故“假凝”泵壓升高固井事故四、油井水泥性能與測量◣密度◣流動性能◣稠化時間◣強(qiáng)度◣失水量◣自由水◣抗腐蝕能力◣滲透率五、影響油井水泥性能的因素◣礦物組分◣水泥細(xì)度◣水灰比◣溫度◣壓力一、前置液二、外加劑

第三節(jié)前置液與外加劑前置液水基鉆井液前置液油基鉆井液前置液沖洗液隔離液粘性紊流型化學(xué)型研磨型粘滯型粘彈型一、前置液二、外加劑緩凝劑速凝劑早強(qiáng)劑分散劑降失水劑加重劑減輕劑膨脹劑熱穩(wěn)定劑增韌劑第四節(jié)固井質(zhì)量檢測目前的固井質(zhì)量檢測方法：

★聲幅測井（CBL）

★變密度測井（VDL

★井溫測井

★水泥膠結(jié)評價測井（CET）A.聲幅測井（CBL）發(fā)射器接收器3ft地層水泥環(huán)套管發(fā)射20kHz聲波脈沖信號膠結(jié)好，聲幅小；膠結(jié)差，聲幅大。典型聲幅測井圖示深度m水泥漿密度為1.75～2.10g/cm3聲幅(15%,30%],為固井質(zhì)量合格聲幅≤15％，為固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)聲幅＞30％，為固井質(zhì)量不合格水泥漿密度＜1.75g/cm3聲幅(20%,40%],為固井質(zhì)量合格聲幅≤20%，為固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)聲幅＞40%，為固井質(zhì)量不合格B.變密度測井發(fā)射器接收器（CBL）接收器（VDL）5ft3ft地層水泥環(huán)套管發(fā)射聲脈沖速率：10-12脈沖/s

固井一界面膠結(jié)好，二界面膠結(jié)差，則套管波信號弱，地層波信號也弱；一二界面膠結(jié)都好，則套管波信號弱，地層波信號強(qiáng)。一界面膠結(jié)差，則很難判斷二界面的膠結(jié)情況。（VDL）變密度測井圖解釋（a）無水泥的自由套管密度測井（b）注有水泥段套管密度測井C.井溫測井tH井溫曲線水泥面主要用途：確定水泥返高，作為水泥充填程度的補(bǔ)充解釋。測井時間：固井后12～24hr內(nèi)，過早或過晚都會影響測量結(jié)果。D.水泥膠結(jié)評價測井（CET）

CET在360°圓周上每隔45°共安排了8個換能器，并呈螺旋分布排列，這8個換能器既是發(fā)射器又是接收器。聲波脈沖的衰減率取決于環(huán)空介質(zhì)的聲阻抗：套管外為鉆井液時，其聲阻抗小，衰減很慢；套管外為水泥漿時，其聲阻抗較大，衰減很快；而且，水泥石的強(qiáng)度越高，其聲阻抗越大，聲波能量衰減越快，即衰減能反映水泥石的強(qiáng)度。第五節(jié)提高固井質(zhì)量的技術(shù)提高固井質(zhì)量主要應(yīng)從三個方面入手：一是提高對鉆井液的頂替效率二是防止固井后油氣水外竄三是提高水泥環(huán)界面膠結(jié)與密封質(zhì)量盡管固井頂替機(jī)理的研究歷史已60余年，但鑒于其復(fù)雜性，目前仍不十分深入。主要體現(xiàn)在實驗方面：按照動力學(xué)相似原理要求，室內(nèi)模擬的參數(shù)需要與相應(yīng)的現(xiàn)場數(shù)值相匹配，但難度很大。理論方面：難以建立一套準(zhǔn)確描述任意井下條件的動態(tài)模型和定量分析法。實用方面：現(xiàn)場施工參數(shù)很難同室內(nèi)測量參數(shù)相吻合。一、提高對鉆井液的頂替效率A.頂替效率：無量綱頂替時間：

t*＝tQ/V鉆井液（d）（c）（b）（a）水泥漿頂替界面變化情況Z=LZ=0入口出口

B.頂替時的作用力與反作用力

鉆井液的阻力和水泥漿的驅(qū)動力是保證兩相流體頂替效果的基本因素。鉆井液本身的粘度、切力套管和井壁對鉆井液的粘附力鉆井液本身的重力泵的壓力水泥漿對鉆井液的浮力流動的水泥漿對鉆井液的粘滯力活動套管引起的牽引力驅(qū)動力阻力塞流層流紊流流態(tài)示意圖C.頂替流態(tài)120°鉆井液水泥環(huán)套管窄隙處鉆井液竄槽示意圖S=50%時，窄隙處的鉆井液竄槽占整個圓周的1/3，測井聲幅值高達(dá)36%。D.套管偏心度的影響套管偏心度：E.井徑擴(kuò)大的影響

頂替模擬實驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)k＝15%時，切開井筒斷面可見由井徑小到井徑大的擴(kuò)大處，形成鉆井液、前置液、水泥漿相互混摻的滯留區(qū)，水泥漿凝固后的強(qiáng)度很低，兩個界面的密封性能也很差。影響頂替效率的因素還有：●頂替時間和紊流接觸時間●流變性能●密度差●活動套管與否●泥餅、膠凝物和固相沉積●“死泥漿”的影響提高頂替效率的方法：◣井眼狀況◣套管居中◣流變設(shè)計◣活動套管二、防止固井后油氣水竄◣提高固井后水泥漿柱壓力◣環(huán)空加回壓◣控制水泥返高◣采用防氣竄水泥固井三、提高水泥環(huán)界面膠結(jié)與密封質(zhì)量第一類是常用的物理或機(jī)械方法。為解決油氣井環(huán)空膠結(jié)質(zhì)量問題，國內(nèi)外學(xué)者先后研究并提出了紊流頂替、壁面剪切、活動套管、膨脹擠壓、纖維增韌、用刮泥器等固井技術(shù)方法。這些方法的出現(xiàn)對油氣井環(huán)空封隔無疑是十分有益的，但鑒于固井二界面問題的復(fù)雜性和現(xiàn)場施工條件的局限性，面對我國油氣井泥餅質(zhì)量差和井徑不規(guī)則這兩大客觀事實，它們各自所能達(dá)到的效果是比較有限的，表現(xiàn)為目前國內(nèi)固井一界面膠結(jié)良好而固井二界面膠結(jié)質(zhì)量問題依然較為突出。

第二類是特殊的MTC方法。MTC是一項20世紀(jì)